MIPI D-PHY TX 測試全指南：示波器頻寬、軟體及探棒推薦
深入解析MIPI D-PHY 訊號測試挑戰並剖析測試難點，更針對 TX 測試提供示波器頻寬選擇、自動測試軟體搭配及探棒與夾具推薦，掌握關鍵高速傳輸技術細節，輕鬆應對 MIPI 測試挑戰！
本文包含以下部分，可點選快速連結
◆ MIPI是什麼意思？MIPI簡介
◆ MIPI D-PHY 技術概覽
◆ MIPI D-PHY物理層 CTS 測試
◆ MIPI D-PHY TX 測試概覽
◆ MIPI D-PHY晶片測試難點
◆ MIPI D-PHY Tx 測試夾具的選擇
◆ MIPI D-PHY TX 測試示波器頻寬、軟體及搭配探棒推薦
◆ 對通道探棒延遲進行校正
◆ LP和HS測試的組網差異
◆ 校正功模參數
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MIPI 聯盟（MIPI Alliance，全名為 Mobile Industry Processor Interface）是由 ARM、Nokia、ST、TI 等公司在 2003 年共同成立，旨在為移動應用處理器制定開放標準及規範。目前，MIPI 已經成為移動領域中最主流的影像傳輸介面標準，其中應用最廣泛的包括 MIPI D-PHY 和 MIPI C-PHY 這兩組協定。值得一提的是，C-PHY 中的許多模組參考了 D-PHY 的設計，兩者的標準介面甚至可以共用相同的引腳來實現雙模。此外，MIPI M-PHY 和 A-PHY 也是重要的協定。
MIPI 聯盟旗下有多個工作小組（WorkGroup），分別定義了手機及其他移動設備內部的各項介面標準，例如：攝像頭介面 CSI、顯示介面 DSI、基帶 IC 與射頻 IC 之間的互連介面 DigRF，以及麥克風/揚聲器介面 SLIMbus 等。MIPI 技術的設計是分層的，包括物理層、協定層和應用層，相同的 PHY 物理層可以支援不同的協定。下圖是 MIPI 系統框圖與多媒體規範：
圖1：MIPI系统框架 (源自 MIPI Alliance 官網)
圖2：MIPI多媒體規範
MIPI 目前最成熟的兩個應用介面如下，它們的協定層分別是 CSI-2 和 DSI/DSI-2：
- 攝像頭介面：CSI (Camera Serial Interface)
- 顯示介面：DSI (Display Serial Interface)
CSI-2 和 DSI/DSI-2 的物理層（Phy Layer）由專門的工作小組負責制定，目前採用的物理層標準是 D-PHY 和 C-PHY。以下是 D-PHY 的技術演進以及各版本技術特點的比較。
圖：摘自 MIPI Alliance
D-PHY 實現了攝像頭/顯示器與應用處理器（AP）之間的互連，具備高速、低功耗和低成本等特點，不僅適用於行動裝置，也適合物聯網（IoT）應用。D-PHY 提供了主從之間的源同步介面，包含一對單向差分時鐘線，支援 SSC 和 1～4 對單向或雙向差分數據線。數據傳輸採用 DDR 方式，即在時鐘的上下邊緣都有數據傳輸。下圖是 D-PHY 的雙數據通道配置圖：
圖：D-PHY Two Data Lane PHY Configuration
D-PHY 的物理層支援 HS（High Speed）和 LP（Low Power）兩種工作模式：
- LP 模式下則採用單端信號，無端接，數據速率較低（<=10Mbps），但相應的功耗也非常低。
- HS 模式下採用低壓差動信號，具備端接功能，可以傳輸非常高的數據速率（速率為 80M～1.5Gbps/無偏斜校正、1.5G～2.5Gbps/有偏斜校正、2.5G～9G/有等化處理）
考量到 EMI（電磁干擾），在 LP 模式下，信號的上升/下降速率及驅動電流均受到限制。可選的替代低功耗模式使用有端接的低壓差分信號，數據速率最低為前向 4Mbps，反向最低 1Mbps，最高速率與 HS 模式一致。HS 和 LP 這兩種模式的結合，使得 MIPI 總線在需要傳輸大量數據（如影像）時能夠高速運作，而在不需要大數據傳輸時則可降低功耗。
下圖 1 是 HS 和 LP 模式下的信號電平示意圖，下圖 2 是用示波器捕捉到的 MIPI D-PHY 信號，可以清楚看到 HS 和 LP 信號。
圖 1：HS 和 LP 模式下的信號電平
圖 2：示波器捕捉的 MIPI D-PHY 信號
雖然 MIPI D-PHY 的板級設計較為簡單，但 MIPI 晶片的內部架構與 I/O 技術卻相當複雜，具體體現在以下幾個方面：
1. MIPI 通信架構包含發送端（通常為主端，master）、接收端（通常為從端，slave）及互連通道。
MIPI D-PHY 點對點互連圖：
2. 通道類型包括時鐘通道、單向數據通道與雙向數據通道。收發通道模組包括線路介面、控制/介面邏輯及協定介面。控制/介面邏輯可實現 Escape 模式編碼（與 LP-TX 相關）、HS-Deskew、Sequences（與 HS-TX 相關），HS-RX 可實現數據擷取、HS-Deskew，LP-RX 可在控制模式下進行解碼與 Escape 模式下的解碼，LP-CD 則用於雙向數據通道，可實現衝突/競爭檢測。
在電氣層面，LP-TX 採用推挽電路並進行 Slew-Rate 控制，HS-TX 採用高速低壓差分驅動電路（可選支持半擺幅模式以節省功耗，當速率超過 2.5Gbps 時需使用 2 taps 去加重技術克服 ISI 影響），HS-RX 採用高速差分接收電路（可啟用 ZID 阻抗），而 LP-RX 電路則強調低功耗並集成遲滯功能以降低對噪聲的敏感度。
圖：收發內部組成與電氣實現
3. TLIS 傳輸線互連架構支持不同的傳輸「距離」，如下圖展示了不同速率的插損模板。在 1.5Gbps～4.5Gbps 的速率範圍內，預設支持 Standard Reference Channel，也可選擇支持 Long Reference Channel。
以物理層測試為例，發射端測試主要依賴示波器，接收端測試則使用高速任意波形發生器；透過自動化的協定分析與解碼軟體，可以大幅提升除錯和測試的效率。接下來的篇幅將詳細介紹物理層測試。
正因為內部架構與電氣實現的複雜性，要確保介面信號的互通性需要進行相當複雜的測試。MIPI Alliance 開發了相容性測試套件（CTS），其目的是優化基於 MIPI 規範的產品互通性。這些測試著重於物理層功能（而非性能）與合規性測試的區別。通過的互通性測試項目越多，開發者的信心也越強，這意味著產品在多數 MIPI 使用環境中能夠正常運作。
圖：互連插損模板
CTS 測試
MIPI D-PHY 物理層測試主要涵蓋以下測試項目（依據 mipi_D-PHY-v2-1_CTS_v1-0）：
- TX 計時器與信號
- RX 計時器與電氣容差
- 介面阻抗與 S 參數
其中，TX 測試透過示波器與自動化測試軟體進行，RX 測試依賴高速任意波形產生器完成，而 S 參數涉及阻抗測試則透過網路分析儀或 TDR（時域反射計）完成，如下圖所示：
圖：MIPI D-PHY 物理層測試方案總結
TX 測試主要依賴示波器與自動化軟體進行。根據 MIPI D-PHY 各版本的速率與規格參數，需要選擇適當頻寬的示波器。依據 MIPI 聯盟的要求，針對不同速率的 MIPI 版本，推薦的示波器頻寬與自動化測試軟體如下：
圖：MIPI D-PHY TX 測試示波器頻寬及軟體推薦
針對 MIPI 晶片或模組的測試，可根據 MIPI 聯盟推薦的方法設計測試板（TVB，Test Vehicle Board），將信號輸出轉換成標準的 SMA 介面，再結合聯盟提供的 RTB（Reference Termination Board）進行信號測試。RTB 板提供標準匹配切換與不同線路電容的選擇，如下圖所示：
圖：基於 TVB（Test Vehicle Board）的 MIPI D-PHY 晶片或模組測試
對於系統廠商如手機製造商，由於系統設計已完成，進行 MIPI 信號測試只能透過焊接或點測探頭連接 PCB 上的實際信號進行測試。以下是典型的連接圖：
圖：MIPI D-PHY 板級測試連接
為提升測試效率，建議在測試過程中使用四支探頭分別連接 clk+/clk- 和 data+/data- 信號。每個差分對需要兩支探頭進行測試，這是因為在 D-PHY 信號線上，同時存在 HS 和 LP 兩種模式，且這兩種模式的端接方式不同。僅使用一支差分探頭無法滿足 DUT（待測物）的工作需求。對於多條數據 Lane 的情況，可分別測試每條 Lane。
測試系統的核心是 D9020DPHC MIPI 一致性測試軟體平台，該軟體透過圖形化介面指導用戶完成測試參數設定與連接，並自動完成信號質量測試與測試報告生成，使用者體驗友好，能夠大幅提升測試效率。
MIPI D-PHY 測試相當複雜，需要深入了解其工作原理，測試涉及 LP 模式的測試序列、HS 模式的測試序列、HS 進入與退出、電壓參數、時間參數等，具體如下：
Section 1 TX 信號包含：
1. 數據 LP-TX 信號：ULPS 序列等、50pF、lane0～lane4、DUT 通常為 CSI-2/DSI Master
2. 時鐘 LP-TX：ULPS 序列等、50pF、Clock lane、DUT 通常為 CSI-2/DSI Master
3. 數據 HS-TX：HS Burst 序列（包括 LP 退出/進入序列）、DUT 為 CSI-2/DSI Master、Lane0/1（ZID=100）、Lane2/3（ZID:125/80）（HS-Entry 測試項目）、Lane0/1/2/3（ZID:100-125-80）（HS-TX 差分電壓單端高電壓靜態共模電壓&不匹配 R F）、Lane0/1/2/3（ZID:100）（HS-TX 動態共模電壓變動HS Exit）
4. 時鐘 HS-TX：HS Burst 序列（包括 LP 退出/進入序列）、DUT 為 CSI-2/DSI Master、Clock（ZID:100）（HS EntryCommon-Level VariationsHS ExitHS ClockSSCPeriod Jitter）、Clock（ZID:80/125/100）（HS-TX 差動電壓 R F）
5. 時鐘/數據時序要求：HS Burst 序列（包括 LP 退出/進入序列）、DUT 為 CSI-2/DSI Master，ZID=100
6. 低功耗初始化序列/超低功耗序列/BTA 要求：Init/ULPS/BTA 序列、DUT 為 CSI-2/DSI Master & Device, 50pF
下面針對其中測試參數簡單舉例進行說明：
◆ 數據訊號 LP-TX 的 VOH / VOL 電平測試 測試時，DUT 的數據 lane 0 到 lane 3 需要分別連接到 50 pF 電容負載板，並讓 DUT 產生 ULPS 序列。如何生成這個序列？首先，DUT 需要進入 LP-Escape Mode 並啟用 ULPS 命令（‘00011110’）。這個模式屬於非同步模式，採用空間單位元編碼（Space-one-hot encoding），而對端的時鐘訊號則是透過 EXOR（Dp，Dn）取得。
圖：Escape mode 的 LP 序列
◆ 高速數據訊號 HS-TX 差動電壓 VOD(0)、VOD(1) 測試
這個測試非常重要，因為它關係到時間參數的電壓標準。在這裡，我們使用脈衝測量方法並結合平均演算法處理數據。HS 序列並沒有採用常見的編碼方式來實現直流平衡，為了保證測量的一致性、重複性以及數據的易取得，我們選擇了兩種參考碼型（‘011111’/’100000’）作為數據源，先對齊再進行平均處理。這兩種碼型考慮到了連續 1 和連續 0 的典型狀況，也能反映電容效應和阻抗匹配效應。在測量時，會同時考慮時鐘和數據，因此需要對探頭進行 deskew 校正。此外，為了確保電壓測量的準確性，所用的示波器必須符合校準要求。如果是針對芯片進行測試，lane 0 到 lane 3 還需遍歷 RTB 的不同負載（80/125/100）。
圖：VOD(1)測量波形
◆ 高速時鐘與數據時序參數Tskewcal-sync/Tskewcal測試
當DUT的工作速率超過 1.5 Gbps 時，必須支持 clock / data 的 deskew 校正。這要求 DUT 產生 HS Burst Sequence，其中包含 LP-11 / LP-01 / LP-00 / HS-0 / 同步碼 / 校準碼 / HS-TRAIL / HS-EXIT 等訊號。同步碼要求是 16 個連續 1 ，校準碼則要求是 4096 個 UI（0/1交替）。
圖：HS-TX SkewCal同步和校準序列
以下展示了利用示波器對該序列進行時間參數測量的結果，測得的 Tskewcal-sync 明顯沒有達到典型 16 個 1 的時間要求，Tskewcal 則明顯沒有滿足典型 4096 個 UI 的時間要求。
圖：HS-TX Tskewcal-sync測量
圖：HS-TX Tskewcal 測量
由於 MIPI 技術協定複雜，電路板的集成度又高，在實際測試中，往往會遇到不少挑戰。以下是幾個常見的測試難點，提供給大家參考，幫助在測試過程中少走彎路、提高效率。
MIPI D-PHY 信號測序項目繁多，複雜度高 MIPI D-PHY 的測試項目很多，以TX測試為例，總共有超過 50 個測試項目，而且會隨著 High-Speed Data Rate 的不同、DUT 依據的規範版本不同而有所變化。測試過程非常複雜，儘管 CTS 對每個測試項目的設置和條件都有詳細說明，但如果完全靠手動設置，很容易出錯。
在這裡，我們建議使用 D9020DPHC MIPI 一致性測試軟體平台，該平台提供圖形化介面，能夠引導使用者完成測試參數設置和連接，並自動完成信號品質測試和報告生成，不需要對 CTS 規範有深入的研究，幾個簡單步驟就可以完成測試和報告輸出。50 多個測試項目完整執行下來僅需 20 至 30 分鐘。需要注意的是，DUT 測試的 Lane 數越多，測試時間也會相應增加。
MIPI 板子密度高，測試點難以直接觸及 MIPI 技術主要應用於移動裝置，板子集成度很高，焊接點很小，這使得 D-PHY 測試中的焊接工作變得非常困難，對工程師的技術水平要求也相當高。如果焊接不精確或引線過長，可能導致信號劣化，甚至無法輸出信號，從而導致測試無法進行。以下是實際測試中的探頭焊接連接圖，MIPI D-PHY 的TX 測試需要同時接入4 支差動探棒（ 1 對 Data，1對Clock），前端的正極接信號，負極接地。在狹小的空間內盡量多地引出測試信號，對探棒前端的體積也有很高要求。這裡推薦使用 N5425B 系列探頭前端搭配 116xB 系列探棒放大器，在保證探棒小體積的同時，提供良好的信號探測品質。以下展示了 Tx 測試的連接示意圖與實物圖。
圖：MIPI 實測探棒焊接連接圖
圖： 4 支 1169B 探棒連接示波器與 N5425B 探棒前端實物
在一些靜態高速串行技術（如 PCI Express、SATA 等）中，通常使用測試設備的輸入端口作為測量的參考終端負載來完成 100 歐姆差分基準端接環境。但是，由於 MIPI D-PHY 技術使用的是動態可切換的電阻端接（省電功能），因此無法將測試設備（如示波器）作為參考終端。在高速（HS）操作模式下啟用這個可切換的 100 歐姆差動參考電阻終端，而在低功耗（LP）模式下則禁用（斷開端接）。
執行 MIPI D-PHY 測試的常見方法是選用一些能處理所需端接負載的測量夾具，使得在進行 Tx 測試時，夾具的選擇變得至關重要。
通常有兩種類型的測試夾具可供選擇：一種能處理所需的自動切換端接負載，另一種僅支持單一端接負載，用戶需要根據實際測試需求選擇合適的夾具。
◇ 依傳輸速度選擇示波器型號
◇ 示波器需搭配的軟體
| 型號 |
說明 |
| D9020DPHC |
MIPI D-PHY Tx Compliance Software |
| D9010JITA or D9020JITA |
Jitter, Vertical and Phase Noise Analysis Software for Infiniium |
| D9010SCNA or D9020SCNA |
InfiniiScan Event Identification Software for Infiniium |
| D9010DMBA or D9020ASIA |
De-embedding Software (PrecisionProbe, InfiiniSim Basic) Advanced Signal Integrity Software (Crosstalk) |
◇ 測試所需的探棒、配件
| 型號 |
說明 |
所需數量 |
| 1169B |
InfiniiMax II 12 GHz differential probe amplifier |
4 |
| E2669B |
Differential probe connectivity kit (contains needed probe header) |
1 |
| 15443A |
Matched cable pair (2 x SMA(m) to SMA(m) cable included) |
2 |
| N7010A |
30 GHz Active Termination Adapter for Continuous Data and Clock test |
4 |
| RTB |
MIPI D-PHY Reference Termination Board from UNH-IOL |
1 |
| Capacitive load board |
MIPI D-PHY 50pF Capacitive load board from UNH-IOL |
1 |
MIPI 總線主要應用於智慧型手機和移動裝置，因此 MIPI 信號對射頻干擾（EMI）的影響非常重視。一般來說，EMI 通常由共模雜訊引起，標準對共模雜訊有嚴格要求，例如 D-PHY v2.1 標準規定 450 MHz 以上的動態共模雜訊需小於 15mVrms。為了滿足這個指標，除了需要優化設計外，還需注意示波器本身的底噪，以及在使用探棒時，儘量在小垂直刻度條件下測量雜訊。為了獲得精確的共模雜訊參數，需要對通道探棒延遲進行校正，減少通道延遲引起的共模參數誤差。
C/D-PHY 採用 LP 和 HS 結合的機制，在測試時需注意兩者的組網差異。例如，在測試 HS 信號的眼圖時，C-PHY 的三相編碼和時鐘恢復比較特殊，需要使用連續 HS 碼型進行測試。在晶片測試中，建議使用同軸電纜直接連接示波器，以提升信號的雜訊比。
在進行 C/D-PHY 測試時，需要對功模參數進行校正，確保測得的共模電壓、絕對幅度參數符合標準。此時，建議搭配 N7010A 終端適配器使用，並在測試軟體中進行校準。
MIPI D-PHY 測試具有高複雜度和技術要求，特別是在多項目、多模式的環境下進行。選擇合適的測試工具和設備，如自動化測試平台、適配的探棒和夾具，可以顯著提高測試效率，減少錯誤發生的機率。同時，工程師需特別留意測試過程中的焊接技術、信號校正以及通道延遲校正，這些細節將直接影響測試結果的準確性和可靠性。透過適當的設備組合和操作技巧，MIPI D-PHY 測試可以在滿足高標準的前提下變得更簡單流暢。
◇ 依傳輸速度選擇示波器型號
◇ 示波器需搭配的軟體
| 型號 |
說明 |
| D9020DPHC |
MIPI D-PHY Tx Compliance Software |
| D9010JITA or D9020JITA |
Jitter, Vertical and Phase Noise Analysis Software for Infiniium |
| D9010SCNA or D9020SCNA |
InfiniiScan Event Identification Software for Infiniium |
| D9010DMBA or D9020ASIA |
De-embedding Software (PrecisionProbe, InfiiniSim Basic) Advanced Signal Integrity Software (Crosstalk) |
◇ 測試所需的探棒、配件
| 型號 |
說明 |
所需數量 |
| 1169B |
InfiniiMax II 12 GHz differential probe amplifier |
4 |
| E2669B |
Differential probe connectivity kit (contains needed probe header) |
1 |
| 15443A |
Matched cable pair (2 x SMA(m) to SMA(m) cable included) |
2 |
| N7010A |
30 GHz Active Termination Adapter for Continuous Data and Clock test |
4 |
| RTB |
MIPI D-PHY Reference Termination Board from UNH-IOL |
1 |
| Capacitive load board |
MIPI D-PHY 50pF Capacitive load board from UNH-IOL |
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